DE10210805A1 - Ballast for a discharge lamp - Google Patents
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Abstract
Bei einem Vorschaltgerät für eine Entladungslampe (16), mit einer Gleichspannungsversorgungsstufe (2), mit einer hochfrequenten Taktfrequenz geschalteten Halbleiterschaltern (10, 11) zur Änderung der Stromrichtung durch die Entladungslampe (16), einem Zündübertrager (15), dem die Gleichspannung der Gleichspannungsversorgungsstufe (2) über einen Serienkondensator (14) zuführbar ist, und einer an eine nicht mit dem Zündübertrager (15) verbundene Elektrode der Entladungslampe (16) angeschlossenen Drosselinduktivität (17), wird die Zündsicherheit der Entladungslampe (16) dadurch erhöht, dass zwischen einem Verbindungspunkt (27) von Serienkondensator (14) und Zündübertrager (15) einerseits und einem Verbindungspunkt (26) zwischen Entladungslampe (16) und Drosselinduktivität (17) andererseits ein Kondensator (24) in Serie mit einem Schalter (23) angeschlossen ist und dass der Kondensator (24) mit der Drosselinduktivität (17) einen auf eine höhere Harmonische der Taktfrequenz abgestimmten Serienresonanzkreis bildet.In a ballast for a discharge lamp (16), with a DC voltage supply stage (2), semiconductor switches (10, 11) switched at a high-frequency clock frequency for changing the direction of current through the discharge lamp (16), an ignition transformer (15) to which the DC voltage of the DC voltage supply stage (2) can be supplied via a series capacitor (14) and an inductor (17) connected to an electrode of the discharge lamp (16) that is not connected to the ignition transformer (15), the ignition reliability of the discharge lamp (16) is increased by the fact that between one Connection point (27) of series capacitor (14) and ignition transformer (15) on the one hand and a connection point (26) between discharge lamp (16) and inductor (17) on the other hand, a capacitor (24) is connected in series with a switch (23) and that Capacitor (24) with the inductor (17) to a higher harmonic of the clock frequency coordinated series resonance circuit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät für eine Entladungslampe, mit einer Gleichspannungsversorgungsstufe, mit einer hochfrequenten Taktfrequenz geschalteten Halbleiterschaltern zur Änderung der Stromrichtung durch die Entladungslampe, einem Zündübertrager, dem die Gleichspannung der Gleichspannungsversorgungsstufe über einen Serienkondensator zuführbar ist, und einer an eine nicht mit dem Zündübertrager verbundenen Elektrode der Entladungslampe angeschlossenen Drosselinduktivität. The invention relates to a ballast for a discharge lamp, with a DC voltage supply stage, with a high-frequency clock frequency switched semiconductor switches to change the current direction through the Discharge lamp, an ignition transformer, which the DC voltage of the DC voltage supply stage can be supplied via a series capacitor, and one at an electrode of the discharge lamp which is not connected to the ignition transformer connected inductor.
Vorschaltgeräte für Entladungslampen, wie Lichtbogenlampen, sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Diesen Vorschaltgeräten ist gemeinsam, dass die Stromrichtung des gezündeten Lichtbogens der Entladungslampe ständig gewechselt werden muss, um eine einseitige Abnutzung einer der Elektroden zu vermeiden. Ballasts for discharge lamps, such as arc lamps, are in numerous embodiments are known. These ballasts have in common that the current direction of the ignited arc of the discharge lamp is constant must be replaced in order to cause one-sided wear on one of the electrodes avoid.
Es ist bekannt, dass die Umschaltung der Stromrichtung auch mit einer sehr hohen Taktfrequenz von beispielsweise 300 bis 400 kHz erfolgen kann. In diesem Fall werden Resonanzerscheinungen in der Entladungslampe sicher vermieden, weil Resonanzen der Entladungslampen bei deutlich niedrigeren Frequenzen liegen. Durch die hochfrequente Taktung lässt sich das Vorschaltgerät klein bauen, da vergleichsweise geringe Induktivitäten benötigt werden. Die Vorschaltgeräte laufen darüber hinaus leise und weitgehend oberwellenfrei. It is known that switching the current direction also with a very high clock frequency of 300 to 400 kHz, for example. In In this case, resonance phenomena in the discharge lamp become certain avoided because resonances of the discharge lamps at significantly lower frequencies lie. Due to the high-frequency clocking, the ballast can be made small build because comparatively low inductances are required. The Ballasts also run quietly and largely without harmonics.
Die Zuführung der Gleichspannung aus der Gleichspannungsversorgungsstufe, die vorzugsweise durch einen Aufwärtswandler gebildet ist, erfolgt über einen Serienkondensator, der zur Umladung für den Wechsel der Stromrichtung benötigt wird. Der Serienkondensator ist so dimensioniert, dass an ihm etwa die Hälfte der von der Gleichspannungsversorgungsstufe gelieferten Spannung abfällt, sodass im praktischen Fall die Ausgangsspannung eines Aufwärtswandlers von 370 V hinter dem Serienkondensator auf etwa 185 V halbiert ist, sodass nur die halbe Spannung über die Primärwicklung des Zündübertragers auf die Entladungslampe gelangt. Der Zündübertrager, der für die Hochtransformation der Spannung von ihm separat zugeleiteten hochfrequenten Impulsen für den Zündvorgang eingesetzt wird, erzeugt sekundärseitig Spannungsimpulse von beispielsweise 25 kV, die eine Ionisierung der Entladungsstrecke der Entladungslampe bewirken. Die von der Gleichspannungsversorgungsstufe auf die Entladungslampe geleitete Spannung reicht unter Umständen nicht aus, um ein sicheres Zünden der Entladungslampe zu gewährleisten. In der Praxis müssen daher unter Umständen zahlreiche Zündversuche unternommen werden, um die Entladungslampe in der gewünschten Weise zum Brennen zu bringen. The supply of the DC voltage from the DC voltage supply stage, which is preferably formed by a step-up converter, takes place via a Series capacitor that is used for reloading for changing the current direction is needed. The series capacitor is dimensioned so that about Half of the voltage supplied by the DC voltage supply stage drops, so that in practical cases the output voltage of a step-up converter from 370 V behind the series capacitor is halved to about 185 V, so that only the half voltage across the primary winding of the ignition transformer to the Discharge lamp arrives. The ignition transformer, which is used for the high transformation of the Voltage from him separately supplied high-frequency pulses for the Ignition process is used, generates voltage pulses from the secondary side for example 25 kV, which ionizes the discharge path of the Cause discharge lamp. The from the DC voltage supply stage to the Discharge lamp conducted voltage may not be sufficient to one to ensure safe ignition of the discharge lamp. In practice, therefore under certain circumstances numerous ignition attempts are made to the Discharge lamp to burn in the desired manner.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der Funktion eines hochfrequent getakteten Vorschaltgerätes mit einfachen Maßnahmen die Zündung der Entladungslampe zu verbessern. The invention has for its object while maintaining the function of a high frequency clocked ballast with simple measures Improve discharge lamp ignition.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Vorschaltgerät der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Verbindungspunkt von Serienkondensator und Zündübertrager einerseits und einem Verbindungspunkt zwischen Entladungslampe und Drosselinduktivität andererseits ein Kondensator in Serie mit einem Schalter angeschlossen ist und dass der Kondensator mit der Drosselinduktivität einen auf eine höhere Harmonische der Taktfrequenz abgestimmten Serienresonanzkreis bildet. To achieve this object, a ballast is the input mentioned type characterized in that between a connection point of series capacitor and ignition transformer on the one hand and one Connection point between discharge lamp and inductor on the other hand Capacitor connected in series with a switch and that the capacitor with the inductor to a higher harmonic of the clock frequency coordinated series resonance circuit.
Durch den Serienresonanzkreis, der mittels des mit ihm in Serie geschalteten Schalters nur für den Zündvorgang wirksam geschaltet wird, wird der durch die hochfrequente Taktung entstehenden Wechselspannung eine Oberschwingung überlagert, die die an der Lampe anstehende Spannung während und nach der durch einen Hochspannungsimpuls des Zündübertragers eingeleiteten Entladung signifikant erhöht, sodass die Ausbildung des Lichtbogens mit höherer Zuverlässigkeit erfolgt. Through the series resonance circuit, which is connected in series with it Switch is only activated for the ignition process, is by the high-frequency clocking generated AC voltage an harmonic superimposed on the voltage applied to the lamp during and after the discharge initiated by a high voltage pulse from the ignition transformer significantly increased, so that the formation of the arc with higher Reliability takes place.
Da der Serienresonanzkreis auf eine Harmonische der Taktfrequenz abgestimmt wird, muss darauf geachtet werden, dass keine ausgeprägte Resonanzüberhöhung auftritt, die zu einer Zerstörung der Halbleiterschalter durch Überstrom führen könnte. Zur Ausnutzung einer Spannungserhöhung ohne die Gefahr einer zu großen Resonanzüberhöhung wird erfindungsgemäß der Serienresonanzkreis auf eine höhere Harmonische abgestimmt. Dadurch verringert sich bekanntlich der Effekt der resonanzbedingten Stromüberhöhung. Because the series resonant circuit is tuned to a harmonic of the clock frequency care must be taken to ensure that no pronounced Exaggerated resonance occurs, which leads to destruction of the semiconductor switch by overcurrent could lead. To take advantage of a voltage increase without the risk of one According to the invention, the series resonance circuit is opened up to a large resonance increase tuned a higher harmonic. As you know, this reduces the Effect of resonance-induced current increase.
In praktischen Ausführungsformen hat sich insbesondere die Abstimmung auf die fünfte Harmonische, in manchen Fällen aber auch auf die dritte Harmonische der Taktfrequenz bewährt. Bevorzugt ist daher eine Abstimmung des Serienresonanzkreises auf eine Resonanzfrequenz, die zwischen der dritten und der sechsten Harmonischen der Taktfrequenz liegt. In practical embodiments, the coordination to the fifth harmonic, but in some cases also to the third harmonic of the Proven clock frequency. A vote of the Series resonance circuit to a resonance frequency that is between the third and the sixth harmonic of the clock frequency lies.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. The invention will be described below with reference to one in the drawing Embodiment will be explained in more detail.
Die Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorschaltgeräts. The drawing shows a schematic circuit diagram of an embodiment of a Ballast according to the invention.
An Klemmen 1 einer Netzspannung (220 V) ist eine Gleichspannungsversorgungsstufe 2 in Form eines Aufwärtswandlers angeschlossen. Schematisch dargestellt ist eine Gleichrichterbrücke 3, eine Längsinduktivität 4 und ein parallel geschalteter Schalter 5 und eine Diode 6 an einem positiven Ausgang der Gleichspannungsversorgungsstufe 2. Die von der Gleichspannungsversorgungsstufe 2 auf zwei Ausgangsleitungen 7, 8 abgegebene Gleichspannung liegt über einem zwischen diesen Leitungen 7, 8 geschalteten Glättungskondensator 9 in geglätteter Form an. Parallel zum Kondensator ist eine Serienschaltung aus zwei Halbleiterschaltern 10, 11 eingeschaltet. Die beiden Halbleiterschalter 10, 11 werden durch eine Steuerschaltung 12 alternierend mit einer Frequenz von 300 bis 400 kHz ein- und ausgeschaltet, wobei die Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem über den jeweils geschlossenen Halbleiterschalter 10, 11 fließenden, mit einem Stromsensor 13 gemessenen Strom geregelt wird, um so einen konstanten Strom zu erzeugen. Die die positive Gleichspannung führende Ausgangsleitung 7 ist über einen Kondensator 14 und einen Zündübertrager 15 mit einer Elektrode einer Entladungslampe 16 verbunden. Die andere Elektrode der Entladungslampe 16 ist über eine in Serie geschaltete Drosselinduktivität 17 mit einem Verbindungspunkt 18 zwischen den beiden Halbleiterschaltern 10, 11 verbunden. Der Kondensator 14 ist so dimensioniert, dass an ihm etwa die Hälfte der zugeführten Gleichspannung abfällt. Demzufolge liegt über der Entladungslampe 16 etwa die halbe Spannung an, die über dem Glättungskondensator 9 ansteht. Die Stromrichtungsumkehr durch die Entladungslampe 16, die durch die Halbleiterschalter 10, 11 herbeigeführt wird, führt zu einem nur geringen Anstieg oder Abfall dieser halben Spannung, die somit - abgesehen von geringen Schwankungen im Takt der Umschaltung der Halbleiterschalter 10, 11 - im Wesentlichen konstant bleibt. Geändert wird somit lediglich die Richtung des Stroms durch die Entladungslampe 16. A DC voltage supply stage 2 in the form of a step-up converter is connected to terminals 1 of a mains voltage (220 V). A rectifier bridge 3 , a series inductor 4 and a switch 5 connected in parallel and a diode 6 at a positive output of the DC voltage supply stage 2 are shown schematically. Of the DC voltage supply stage 2 on two output lines 7, 8 DC voltage output is above a between these lines 7, 8 connected smoothing capacitor 9 in smoothed shape. A series circuit comprising two semiconductor switches 10 , 11 is switched on parallel to the capacitor. The two semiconductor switches 10 , 11 are alternately switched on and off by a control circuit 12 with a frequency of 300 to 400 kHz, the switching frequency being regulated as a function of the current flowing through the respectively closed semiconductor switches 10 , 11 and measured with a current sensor 13 to generate a constant current. The output line 7 carrying the positive direct voltage is connected to an electrode of a discharge lamp 16 via a capacitor 14 and an ignition transformer 15 . The other electrode of the discharge lamp 16 is connected to a connection point 18 between the two semiconductor switches 10 , 11 via a series inductor 17 . The capacitor 14 is dimensioned such that about half of the DC voltage supplied drops across it. As a result, about half the voltage applied across the discharge lamp 16 is present across the smoothing capacitor 9 . The reversal of the current direction by the discharge lamp 16 , which is brought about by the semiconductor switches 10 , 11 , leads to only a slight increase or decrease in this half voltage, which - apart from slight fluctuations in the cycle of switching the semiconductor switches 10 , 11 - thus remains essentially constant , Thus, only the direction of the current through the discharge lamp 16 is changed .
Zur Vermeidung von Schaltverlusten der Halbleiterschalter 10, 11 beim Öffnen des vorher geschlossenen Halbleiterschalters 10, 11 während der andere, vorher offene Halbleiterschalter 10, 11 zur Vermeidung eines Kurzschlussstroms für eine kurze Zeitdauer ebenfalls noch geöffnet ist, sind parallel zu den beiden Halbleiterschaltern 10, 11 Parallelschaltungen jeweils eines Kondensators 19 und einer antiparallel geschalteten Diode 20 geschaltet. Der durch den geschlossenen zugehörigen Halbleiterschalter 10, 11 entladene Kondensator 19 lädt sich beim Öffnen des zugehörigen Halbleiterschalters 10, 11 auf und übernimmt so den beim Öffnen des Halbleiterschalters 10, 11 vom Halbleiterschalter 10, 11 geführten Strom der Drossel 17 zur Hälfte, sodass die Ausschaltverluste in diesem Halbleiterschalter 10, 11 wesentlich reduziert werden. Der parallel zum bisher geöffneten Halbleiterschalter 10, 11 geschaltete Kondensator 19 ist im Schaltzeitpunkt auf die Eingangsspannung aufgeladen und übernimmt die zweite Hälfte des Stroms, wodurch er entladen wird, sodass das anschließende Einschalten dieses Halbleiterschalters 10, 11 spannungslos und damit verlustfrei erfolgt. Der Entlastungsstrom fließt im übrigen über den Lampenstromkreis, also die Drosselinduktivität 17, die Lampe 16, den Zündübertrager 15 und den Kondensator 14. To avoid switching losses of the semiconductor switches 10 , 11 when the previously closed semiconductor switch 10 , 11 is opened, while the other, previously open semiconductor switch 10 , 11 is also still open for a short period of time to avoid a short-circuit current, are parallel to the two semiconductor switches 10 , 11 Parallel connections of a capacitor 19 and an anti-parallel diode 20 are connected. The capacitor 19 discharged by the closed associated semiconductor switch 10 , 11 charges when the associated semiconductor switch 10 , 11 is opened and thus takes over half of the current of the inductor 17 which is led by the semiconductor switch 10 , 11 when the semiconductor switch 10 , 11 is opened , so that the turn-off losses can be significantly reduced in this semiconductor switch 10 , 11 . The capacitor 19, which is connected in parallel with the previously opened semiconductor switch 10 , 11 , is charged to the input voltage at the time of switching and takes over the second half of the current, thereby discharging it, so that the subsequent switching on of this semiconductor switch 10 , 11 takes place without voltage and thus without loss. The relief current also flows through the lamp circuit, that is to say the inductor 17 , the lamp 16 , the ignition transformer 15 and the capacitor 14 .
Für den Fall, dass die Lampe 16 defekt ist und nicht zündet oder versehentlich gar nicht in die zugehörige Fassung eingesetzt worden ist, kann der Entlastungsstrom somit nicht fließen. In the event that the lamp 16 is defective and does not ignite or has inadvertently not been inserted into the associated socket, the relief current cannot flow.
Um dennoch eine wirksame Entlastung der Halbleiterschalter 10, 11 sicherzustellen, ist parallel zu der Anordnung aus Lampe 16 und Zündübertrager 15, also zwischen Schaltungspunkten 26, 27, eine Hilfsinduktivität 21 in Serie mit einem Schalter 22 eingeschaltet. In order to nevertheless ensure effective relief of the semiconductor switches 10 , 11 , an auxiliary inductor 21 is connected in series with a switch 22 in parallel to the arrangement of lamp 16 and ignition transformer 15 , that is to say between circuit points 26 , 27 .
Der Schalter 22 wird, gesteuert durch geeignete Sensoren, geschlossen, sobald sich die Spannung zwischen den Schaltungspunkten 26 und 27 einer Leerlaufspannung von etwa 185 V nähert. Dadurch fließt über die Hilfsinduktivität 21 ein Strom, der die oben beschriebene Umladung der den Halbleiterschaltern 10, 11 parallel geschalteten Kondensatoren 19 an Stelle des Lampenstroms gewährleistet. Der Schalter 22 wird geöffnet, sobald ein Lampenstrom einer bestimmten Größe sensiert wird. The switch 22 is closed, controlled by suitable sensors, as soon as the voltage between the switching points 26 and 27 approaches an open circuit voltage of approximately 185 V. As a result, a current flows through the auxiliary inductor 21, which ensures the above-described recharging of the capacitors 19 connected in parallel with the semiconductor switches 10 , 11 instead of the lamp current. The switch 22 is opened as soon as a lamp current of a certain size is sensed.
Damit ist sichergestellt, dass im normalen Betrieb der Lampe 16 die Funktion des Vorschaltgeräts durch die Hilfsinduktivität nicht verändert wird, sondern dass die Hilfsinduktivität 21 nur unter Leerlaufbedingungen zur Erzeugung des Entlastungsstroms wirksam wird. This ensures that the function of the ballast is not changed by the auxiliary inductor during normal operation of the lamp 16 , but that the auxiliary inductor 21 is only effective under idle conditions for generating the relief current.
Parallel zu der Anordnung aus Zündübertrager 15 und Lampe 16 ist ferner ein Schalter 23 in Serie mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 24 und einem Widerstand 25 geschaltet. Diese Schaltung dient zur Unterstützung der Zündung der Lampe 16. In parallel to the arrangement of the ignition transformer 15 and the lamp 16 , a switch 23 is also connected in series with a parallel circuit comprising a capacitor 24 and a resistor 25 . This circuit serves to support the ignition of the lamp 16 .
Die zwischen den Ausgangsleitungen 7, 8 anstehende Gleichspannung wird über den Kondensator 14, der sich auf die Hälfte der Gleichspannung auflädt, abgetrennt. Dadurch nimmt die Amplitude der zwischen den Schaltungspunkten 26, 27 auftretenden Wechselspannung ebenfalls nur den halben Wert der Gleichspannung an. Die Größe dieser Spannung gewährleistet keine sichere Zündung der Lampe 16. The DC voltage present between the output lines 7 , 8 is separated off via the capacitor 14 , which charges to half the DC voltage. As a result, the amplitude of the AC voltage occurring between the circuit points 26 , 27 also only takes up half the value of the DC voltage. The magnitude of this voltage does not ensure reliable ignition of the lamp 16 .
Zur Unterstützung der Zündung wird der Schalter 23 für den Zündvorgang geschlossen. Der Kondensator 24 bildet mit der Drosselinduktivität 17 einen Schwingkreis und ist so dimensioniert, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus Drosselinduktivität 17 und Kondensator 24 auf einer höheren Harmonischen der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter 10, 11 liegt. Dadurch addiert sich zu der zwischen dem Verbindungspunkt 18 und dem Schaltungspunkt 27 anstehenden Rechteckspannung der Halbleiterschalter 10, 11 eine Oberschwingungsspannung der Drossel 17, sodass die für eine sichere Ausbildung des Lichtbogens unmittelbar nach der Zündung der Lampe 16 erforderliche Spannungsamplitude erreicht wird. To support the ignition, the switch 23 is closed for the ignition process. The capacitor 24 forms a resonant circuit with the inductor 17 and is dimensioned such that the resonant frequency of the resonant circuit comprising the inductor 17 and the capacitor 24 is at a higher harmonic of the switching frequency of the semiconductor switches 10 , 11 . As a result, a harmonic voltage of the inductor 17 is added to the square-wave voltage of the semiconductor switches 10 , 11 present between the connection point 18 and the circuit point 27 , so that the voltage amplitude required for a safe arc formation is achieved immediately after the lamp 16 is ignited.
Die Abstimmung des aus Drosselinduktivität 17 und Kondensator 24 gebildeten Serienschwingkreises auf eine höhere Harmonische, vorzugsweise die fünfte Harmonische, bietet in Verbindung mit der Dämpfung durch den Parallelwiderstand 25 die Gewähr, dass die Halbleiterschalter 10, 11 nicht mit einem Überstrom belastet werden, wie dies der Fall wäre, wenn der Schwingkreis aus Drosselinduktivität 17 und Kondensator 24 auf die Resonanzfrequenz der Umschaltfrequenz der Halbleiterschalter 10, 11 direkt eingestellt wäre. The tuning of from choke inductor 17 and capacitor 24 series resonant circuit formed on a higher harmonic, preferably the fifth harmonic, provides in combination with the damping by the parallel resistor 25 guarantees that the semiconductor switches 10, 11 are not burdened with an overcurrent, as the The case would be if the resonant circuit composed of inductor 17 and capacitor 24 were set directly to the resonance frequency of the switching frequency of the semiconductor switches 10 , 11 .
Es ist nicht ausgeschlossen, dass für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung andere Oberwellen als die fünfte Oberwelle verwendbar sind, beispielsweise die dritte Oberwelle. Kriterium für die Auswahl der Oberwelle ist die sichere Einstellung der gewünschten Spannungserhöhung ohne die Gefahr der Belastung der Halbleiterschalter 10, 11 durch Überstrom. It is not excluded that harmonics other than the fifth harmonic can be used for certain embodiments of the invention, for example the third harmonic. The criterion for the selection of the harmonic is the safe setting of the desired voltage increase without the risk of overloading the semiconductor switches 10 , 11 by overcurrent.
Nicht dargestellt ist in dem schematischen Schaltbild die Möglichkeit einer Abschaltung des gesamten Vorschaltgeräts, wenn die Stromflussmessung, beispielsweise mit dem Sensor 13, ergibt, dass die Leerlaufbedingung für eine gewisse Mindestperiode, beispielsweise von einigen Sekunden, anhält. Demzufolge ist es möglich, die Hilfsinduktivität 21 vom Bauvolumen her klein zu dimensionieren, da sie nur für eine begrenzte Zeit die Entlastungsfunktion ausüben muss. Not shown in the schematic circuit diagram is the possibility of switching off the entire ballast if the current flow measurement, for example with the sensor 13 , shows that the idling condition persists for a certain minimum period, for example a few seconds. Accordingly, it is possible to dimension the auxiliary inductor 21 small in terms of the construction volume, since it only has to perform the relief function for a limited time.
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